Naukowcy z University of Virginia School of Medicine i ich współpracownicy rozwiązali zagadkę sprzed dziesięcioleci, dotyczącą tego, w jaki sposób E. coli i inne bakterie są w stanie się poruszać.
Bakterie popychają się do przodu, zwijając długie, nitkowate wyrostki w korkociągowe kształty, które działają jak prowizoryczne śmigła. Ale jak dokładnie to robią, zaskoczyło naukowców, ponieważ „śmigła” są zbudowane z jednego białka.
Międzynarodowy zespół kierowany przez dr Edwarda H. Egelmana z UVA, lidera w dziedzinie zaawansowanej technologicznie mikroskopii krioelektronowej (cryo-EM), rozwiązał tę sprawę. Naukowcy wykorzystali krio-EM i zaawansowane modelowanie komputerowe, aby odkryć to, czego nie mógł zobaczyć żaden tradycyjny mikroskop świetlny: dziwną strukturę tych śmigieł na poziomie pojedynczych atomów.
„Podczas gdy od 50 lat istnieją modele pokazujące, w jaki sposób te włókna mogą tworzyć takie regularne zwinięte kształty, teraz określiliśmy strukturę tych włókien w szczegółach atomowych” – powiedział Egelman z Wydziału Biochemii i Genetyki Molekularnej UVA. „Możemy pokazać, że te modele były błędne, a nasze nowe zrozumienie pomoże utorować drogę technologiom, które mogłyby opierać się na takich miniaturowych śmigłach”.
Schematy „Supercewek” bakterii
Różne bakterie mają jeden lub wiele przydatków znanych jako wici lub, w liczbie mnogiej, wici. Wić składa się z tysięcy podjednostek, ale wszystkie te podjednostki są dokładnie takie same. Można by pomyśleć, że taki ogon byłby prosty lub w najlepszym razie nieco elastyczny, ale to uniemożliwiłoby bakteriom poruszanie się. To dlatego, że takie kształty nie mogą generować ciągu. Potrzeba obracającego się, przypominającego korkociąg śmigła, aby popchnąć bakterię do przodu. Naukowcy nazywają powstawanie tego kształtu „superzwijaniem” i teraz, po ponad 50 latach, rozumieją, jak robią to bakterie.
Korzystając z krio-EM, Egelman i jego zespół odkryli, że białko tworzące wić może istnieć w 11 różnych stanach. To właśnie dokładna mieszanka tych stanów powoduje powstanie kształtu korkociągu.
Wiadomo, że śmigło w bakteriach jest zupełnie inne niż podobne śmigła używane przez obfite jednokomórkowe organizmy zwane archeonami. Archeony znajdują się w najbardziej ekstremalnych środowiskach na Ziemi, takich jak prawie wrzące kałuże kwasu, samo dno oceanu i głęboko pod ziemią złoża ropy naftowej.
Egelman i współpracownicy wykorzystali krio-EM do zbadania wici jednej formy archeonów, Saccharolobus islandicus, i odkryli, że białko tworzące wić występuje w 10 różnych stanach. Chociaż szczegóły były zupełnie inne niż te, które naukowcy zaobserwowali u bakterii, wynik był taki sam, z włóknami tworzącymi zwykłe korkociągi. Dochodzą do wniosku, że jest to przykład „zbieżnej ewolucji” – kiedy natura dochodzi do podobnych rozwiązań za pomocą bardzo różnych środków. To pokazuje, że chociaż śmigła bakterii i archeonów są podobne pod względem formy i funkcji, organizmy wyewoluowały te cechy niezależnie.
„Podobnie jak w przypadku ptaków, nietoperzy i pszczół, które niezależnie wyewoluowały skrzydła do latania, ewolucja bakterii i archeonów zbiegła się w kierunku podobnego rozwiązania do pływania w obu” – powiedział Egelman, którego wcześniejsze prace w zakresie obrazowania pozwoliły mu wejść do Narodowej Akademii. Nauk, jedno z najwyższych wyróżnień, jakie może otrzymać naukowiec. „Odkąd te biologiczne struktury pojawiły się na Ziemi miliardy lat temu, 50 lat, które zajęło ich zrozumienie, może nie wydawać się tak długie”.
Opublikowane wyniki
Naukowcy opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie naukowym Cell. W skład zespołu weszli Mark AB Kreutzberger, Ravi R. Sonani, Junfeng Liu, Sharanya Chatterjee, Fengbin Wang, Amanda L. Sebastian, Priyanka Biswas, Cheryl Ewing, Weili Zheng, Frédéric Poly, Gad Frankel, BF Luisi, Chris Calladine, Mart Krupovic , Birgit E. Scharf i Egelman.
Praca była wspierana przez Narodowe Instytuty Zdrowia, granty GM122150 i T32 GM080186; Program jednostek roboczych marynarki USA 6000.RAD1.DA3.A0308; oraz przez stypendium Roberta R. Wagnera. Artykuł naukowców nie reprezentuje oficjalnej polityki ani stanowiska Departamentu Marynarki Wojennej, Departamentu Obrony ani rządu USA.